張松泉，曾洪，朱廣智，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000）

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幾種鋁硅系耐火材料型殼的性能研究

張松泉，曾洪，朱廣智，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000）

摘要：熔模精密鑄件的質(zhì)量與型殼有密切關(guān)系，熔模精密鑄造企業(yè)應(yīng)該明確所使用的制殼材料和制殼工藝對型殼質(zhì)量的影響。文章采用了公司已經(jīng)試驗較成熟且穩(wěn)定的制殼工藝，選用硅溶膠為粘結(jié)劑，研究了幾種鋁硅系耐火材料型殼的性能，明確了各種型殼的適用性。

關(guān)鍵詞：型殼，鋁硅系耐火材料，強度，變形

0　前言

熔模精密鑄件的尺寸精度、表面粗糙度，甚至內(nèi)在質(zhì)量等均與型殼有密切關(guān)系，因此，熔模精密鑄造生產(chǎn)中應(yīng)十分重視型殼制造這一環(huán)節(jié)［1］。型殼性能的評價指標，來源于2個方面：一是型殼在制作過程中以及制作完成后，其質(zhì)量良好；二是型殼可以保證澆鑄出合格的鑄件。型殼在制作過程中，經(jīng)歷反復(fù)涂料、撒砂和干燥以及脫蠟、預(yù)焙燒等幾個過程以及工序間的搬運，要保證型殼不開裂、不起皮，厚度盡可能均勻，濕強度和室溫強度足夠，透氣性良好等。型殼在澆鑄過程中，經(jīng)受金屬液的高溫和沖擊，要有足夠的高溫強度、低的高溫變形量等。為保證鑄件的表面質(zhì)量，型殼還應(yīng)有良好的透氣性和熱化學(xué)穩(wěn)定性等。

影響型殼性能的因素有很多，可以分為制殼材料和制殼工藝兩大類。從公司實際應(yīng)用的角度出發(fā)，采用了公司已經(jīng)試驗較成熟且穩(wěn)定的制殼工藝，選用硅溶膠為粘結(jié)劑，研究了幾種鋁硅系耐火材料型殼的性能。

1　制殼工藝

1.1制殼材料的選擇

（1）本研究選用小粒徑的S-830為面層粘結(jié)劑，主要考慮其高的涂層強度；選用大粒徑的S-1430為背層粘結(jié)劑。

（2）本研究選擇的幾種鋁硅系耐火材料為EC99、EC95和合成莫來石，EC99的理化指標見表1、EC95的化學(xué)指標見表2，合成莫來石的理化指標見表3。選用EC99粉為面層粉料，主要考慮原料穩(wěn)定和低成本，選用EC99和EC95為背層粉料（擬用于定向和單晶鑄件型殼）、合成莫來石為背層粉料（擬用于等軸鑄件型殼）。撒砂種類與該層涂料用耐火粉料一致。

表1　EC99的理化指標

表2　EC95的化學(xué)指標

表3　合成莫來石的理化指標

1.2制殼工藝

制殼所用的涂料均為全新配制，面層粘度在25～30 s（測試方法）之間，背層粘度在14～16 s之間。撒砂均為雨淋式撒砂。干燥環(huán)境為溫度22± 1℃，濕度55±10%。預(yù)焙燒工藝為：900℃，保溫2 h。

2　研究方案

本研究考察的型殼性能指標有：濕強度、室溫抗彎強度、高溫抗彎強度和高溫自重變形。主要考慮了撒砂的種類和粒度、型殼層數(shù)（厚度）對型殼性能的影響，共制作7批次型殼試樣，7批次型殼的背層撒砂見表4。

表4　7批次型殼的背層撒砂

3　研究結(jié)果及分析

3.1型殼的濕強度及室溫強度試驗結(jié)果

對7批次的型殼試樣進行了強度測試，第1～3批次型殼試樣的強度測試結(jié)果見表5，第4、5批次型殼試樣的強度測試結(jié)果見表6，第6、7批次型殼試樣的強度測試結(jié)果見表7。

表5　第1～3批次型殼試樣的強度測試結(jié)果　MPa

表6　第4、5批次型殼試樣的強度測試結(jié)果　MPa

表7　第6、7批次型殼試樣的強度測試結(jié)果　MPa

3.1.1背層撒砂粒度過渡對型殼室溫抗彎強度的影響

通過表5，對比第1～3批次EC95型殼的室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：背層使用2～3種粒度的逐漸過渡撒砂方式所制型殼的強度比背層使用1種粒度撒砂方式所制型殼的強度平均高2 MPa。其原因可能是粒度逐漸過渡的撒砂方式有利于形成更加密實的型殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所制型殼強度更高。這提供了一條提高型殼強度的途徑［2］。

3.1.2背層撒砂種類對型殼室溫抗彎強度的影響

對比第3、4和6批次型殼的室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：室溫抗彎強度按莫來石、EC95和EC99的順序依次增大，EC99的型殼強度要遠高于前兩者近一倍。究其原因除了背層撒砂本身的理化性質(zhì)、形成工藝（電熔或者燒結(jié)）和粒度級配造成的差異，還有預(yù)焙燒引起的強度差異。另外，作者認為可能是由于EC99型殼經(jīng)預(yù)焙燒產(chǎn)生玻璃相，對室溫強度起了額外的貢獻作用［3］。

3.1.3背層撒砂粒度對型殼室溫抗彎強度的影響

對比第4、5批次型殼的室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：對于EC99撒砂材料，24#比36#能形成更高的型殼強度，這歸功于粒度及其粒度分布。從這個結(jié)果也可以得知，粒度及其粒度分布對型殼強度的影響是很大的，需要進一步研究來找到最佳的粒度及其分布。

3.1.4型殼厚度對型殼室溫抗彎強度的影響

對比第6、7批次型殼的室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：對于16～30目莫來石撒砂材料，型殼厚度對型殼室溫抗彎強度的影響幾乎沒有，這從另一個角度證實了型殼的斷裂載荷與型殼厚度有一定的正相關(guān)關(guān)系，通過進一步的試驗可以明白兩者的數(shù)量關(guān)系，進而可以通過型殼厚度來預(yù)測其斷裂載荷，也可以根據(jù)型殼要求的斷裂載荷來決定最小的型殼厚度或?qū)訑?shù)。

3.1.5預(yù)焙燒對型殼強度的影響

對比第6、7批次各自的濕強度和室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：合成莫來石型殼經(jīng)預(yù)焙燒以后，厚度小的試樣強度幾乎沒有提高，厚度大的試樣強度有顯著提高。這可能是由于厚度大的試樣在制殼過程中或脫蠟以后沒有干燥徹底所致。但是，第6批的對比結(jié)果也帶給我們疑問，即預(yù)焙燒工序是否必要，焙燒溫度是否需要900℃之高。明確這一點對于帶硅基陶芯型殼的制殼工藝很重要。

對比第4、5批次各自的濕強度和室溫抗彎強度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：EC99型殼經(jīng)預(yù)焙燒以后，強度有不同程度的顯著提高。結(jié)合第6、7批次各自的對比結(jié)果，預(yù)焙燒對型殼強度的影響程度受制于以下因素：

（1）型殼的干燥情況。型殼的干燥情況除與制殼工藝過程有關(guān)外，還受制殼材料種類本身的影響。

（2）預(yù)焙燒溫度。預(yù)焙燒溫度可能足以引起型殼材料相變，進而影響型殼強度。

3.1.6室溫強度對制殼工藝制定的意義

明確各種因素對型殼室溫強度的影響，其意義固然重要。但是測得一定屬性某種制殼材料的型殼強度，本身也很有必要，可以幫助制殼工藝選擇合適的制殼材料。當沒有檢測清楚或無法改變某種制殼材料的各種指標時，首先測得其此種狀態(tài)下的型殼強度，也是一條工藝開發(fā)的捷徑。

3.2型殼的高溫強度試驗結(jié)果

在第1、2批次型殼試樣中，各選取一塊試樣進行了高溫抗彎強度測試，結(jié)果見表8。

表8　第1、2批次型殼試樣的高溫強度測試結(jié)果MPa

單從測試結(jié)果來看，此強度值已經(jīng)達到國內(nèi)報道的定向鑄件型殼的高溫強度值水平［4］，實際澆鑄檢驗也證實了型殼的強度指標合格。型殼的高溫強度主要取決于型殼材料和高溫焙燒工藝2個因素。在進行定向或單晶澆鑄時，型殼的高溫強度指標至關(guān)重要。

3.3型殼的高溫自重變形試驗結(jié)果

對1～6批次的型殼試樣，在高溫自重變形測試方面得到的結(jié)果見表9。

表9　第1～6批次型殼試樣的高溫自重變形測試結(jié)果%

3.3.1背層撒砂種類對型殼高溫自重變形的影響

從表9的測試結(jié)果可以看出：

（1）在1 000℃，2種剛玉質(zhì)撒砂材料和合成莫來石撒砂材料所制型殼的高溫自重變形均很?。ㄔ跍y量誤差范圍內(nèi)），在預(yù)焙燒過程中，其自重變形可以忽略不計。

（2）從1 000～1 250℃，3種撒砂材料所制型殼的高溫自重變形均發(fā)生了十多倍的增加，而這一溫度范圍也恰好是澆鑄前型殼預(yù)熱的溫度選擇范圍，因此，這3種撒砂材料即使在用于等軸晶鑄件的型殼材料時，也需要考慮其變形。

（3）在1 500℃，EC99和合成莫來石材料所制型殼的高溫自重變形已經(jīng)很高，可以說，就目前的制殼工藝而言，這2種材料已經(jīng)被認定不能用于定向或單晶鑄件的型殼材料中［5］。引起這種差異的原因是：盡管3種材料的耐火度均很高，但是在從1 250℃升高到1 500℃的過程中，只有EC95會發(fā)生二次莫來石化相變，使其具有高的抗中溫蠕變性能。

3.3.2高溫自重變形對制殼工藝制定的意義

熔模精密鑄造工藝在考慮最終鑄件的變形時，考慮蠟?zāi)Ｗ冃?、型殼變形和鑄造變形等3個方面，其中，型殼變形被普遍認為是最輕微的、可以忽略的部分。然而，本研究的初步探索表明：當選擇合成莫來石作為等軸晶鑄件制殼材料、白剛玉作為定向或單晶鑄件制殼材料時，必須考慮型殼的變形，考慮制殼工藝對特定制殼原材料所制型殼變形的影響，進而幫助控制好鑄件的形狀和尺寸。

4　結(jié)論

本研究取得的主要結(jié)論如下：

（1）對于EC95型殼，背層撒砂粒度過渡有利于提高型殼室溫強度；

（2）型殼室溫強度按合成莫來石、EC95和EC99撒砂材料的順序依次增大；

（3）合成莫來石型殼的斷裂載荷與型殼厚度有一定的正相關(guān)關(guān)系，可以通過型殼厚度來預(yù)測其斷裂載荷，也可以根據(jù)型殼要求的斷裂載荷來決定最小的型殼厚度或?qū)訑?shù)；

（4）預(yù)焙燒對型殼室溫強度的提高程度，因撒砂材料不同而有差異，對EC99撒砂材料更顯著；

（5）EC95型殼能夠滿足300 mm高度葉片型殼的定向和單晶凝固要求，經(jīng)測試其在1 450℃的高溫強度約為7.2 MPa；

（6）2種剛玉質(zhì)撒砂材料和合成莫來石撒砂材料所制型殼，在預(yù)焙燒過程中，其自重變形可以忽略不計；但在用于等軸晶澆鑄時，需要考慮其變形；

（7）單純的EC99型殼，高溫自重變形嚴重，不能滿足定向凝固的要求；

（8）撒砂粒度對型殼強度和高溫自重變形的影響，由于粒度分布也在起作用，所以本研究沒有得出明確的結(jié)論，需要進一步研究。

參考文獻

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Study on Properties of Several Al-Si Refractory Shells

Zhang Songquan，Zeng Hong，Zhu Guangzhi，Yang Gongxian
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The quality of lost wax precision castings is closely related to shells.It is necessary for investment casting companies to un?derstand the influence of shell-making materials and process employed on the quality of shells.By using the shell-making process which has been tested maturly and stably in our company and choosing silica sol as binder，the performance of shells made of several Al-Si refractory materials is studied and the applicability of various shells is clarified in this paper.

Key words:shell，Al-Si refractory，strength，deformation

中圖分類號：TG249

文獻標識碼：B

文章編號：1674-9987（2016）02-0039-05

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.010

作者簡介：張松泉（1985-），男，碩士研究生，助理工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料加工工程專業(yè)，現(xiàn)從事高溫合金熔模精密鑄造工作。